DE4218041C2 - Ultraschallsensor mit Funktionsüberwachung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Ultraschallsensor gemäß Oberbegriff des Anspruches 1 und des Anspruches 4.

Ultraschallsensoren nach dem Impuls-Echo-Verfahren für die berührungslose Entfer­ nungsmessung in Luft und Gasen sind bekannt. Das Funktionsprinzip beruht darauf, daß ein kurzer Ultraschall-Impuls abgestrahlt wird und die Zeit bis zum Eintreffen der Echos gemessen wird. Da die Schallgeschwindigkeit bekannt ist, kann aus der gemessenen Zeit zwischen dem Senden des Schall-Impulses und dem Empfangen der Echos die Entfer­ nung zwischen Ultraschallsensor und Reflektor bestimmt werden. Der Aufbau und das Funktionsprinzip der hierzu notwendigen Sende-, Empfangs- und Auswerte-Elektroniken sind hinlänglich bekannt.

Die Ultraschallsensoren arbeiten entweder nur mit einem Ultraschall-Wandler (Kombi­ wandler), der sowohl einen Schall-Impulses aussendet als auch die Echosignale empfängt, oder mit zwei Ultraschall-Wandlern, wobei ein Wandler als Sender und der andere Wand­ ler als Empfänger genutzt wird.

Derartige Ultraschallsensoren werden heute oft an Fahrzeugen aller Art zur Kollisionsver­ meidung eingesetzt. Die Ultraschallsensoren haben die Aufgabe, den Bereich in Fahrtrich­ tung vor dem Fahrzeug berührungslos abzutasten und das Fahrzeug anzuhalten, wenn sich ein Objekt oder eine Person im Überwachungsbereich aufhält.

In der Fabrikautomation werden beispielsweise fahrerlose Transportfahrzeuge für den Transport von Gütern eingesetzt. Diese Transportfahrzeuge haben keinen Fahrer, sondern werden rechnergesteuert durch die Fabrikhallen geführt. Arbeiten in den Einsatzbereichen der Fahrzeuge auch Personen, müssen diese vor Kollisionen mit den Fahrzeugen geschützt werden.

Dies geschieht häufig mit mechanischen Schutzbügeln oder aus Schaumstoff aufgebauten Schaltleisten. Nachteilig ist, das der Bremsvorgang erst dann ausgelöst wird, wenn die Per­ son oder das Objekt bereits mechanischen Kontakt mit der Sicherheitseinrichtung hat. Um den Kontakt von vornherein zu vermeiden oder aber auch wenn der Bremsweg des Fahr­ zeuges so lang ist, daß ein mechanisch arbeitendes Schutzsystem in seinen Abmessungen zu groß wird, will man mit Hilfe von Ultraschallsensoren das Fahrzeug berührungslos absichern.

Schutzeinrichtungen, die insbesondere Personen vor körperlichen Verletzungen schützen sollen, unterliegen strengen Sicherheitsvorschriften. So muß die sichere Funktion der Schutzeinrichtung immer gegeben sein bzw. die Schutzeinrichtung muß das Fahrzeug sofort anhalten, wenn innerhalb der Schutzeinrichtung ein Fehler aufgetreten ist.

Bei einem Ultraschallsensor stellt sich somit die Aufgabe, sicher festzustellen, daß ein Ultraschall-Impuls abgestrahlt wurde und der Ultraschall-Wandler auch fähig ist, die reflektierten Echosignale zu empfangen.

Stand der Technik ist es, z. B einen Bügel in einem gewissen Abstand vor dem Ultraschall- Wandler anzubringen. Die Auswerteelektronik prüft bei jeder Messung, ob der Bügel eine Echo hervorgerufen hat. Nachteilig ist bei dieser Methode, daß die Funktion der Empfän­ gerelektronik nur bedingt geprüft werden kann. Die eingesetzten elektronischen Verstärker sind nämlich zeitgesteuert; d. h. mit zunehmender Entfernung wird die Verstärkung erhöht, um die Dämpfung der Echosignale zu kompensieren. Fällt diese Verstärkungssteuerung aus, wird zwar das vom Bügel erzeugte Echo noch erkannt, jedoch werden von weiter ent­ fernten Objekten verursachte Echosignale nicht mehr sicher erkannt.

Ein weiterer Nachteil ist, daß bei einem Kombiwandler wegen seines großen Nahbereichs der Bügel sehr weit vor dem Ultraschall-Wandler angebracht werden muß.

In der Offenlegungsschrift DE 38 07 383 A1 wird ein Verfahren beschrieben, welches mit einem sogenannten Überwachungswandler arbeitet: In kurzem Abstand vor dem eigentli­ chen Arbeitswandler (bzw. vor den Arbeitswandlern bei getrennten Wandlern zu Senden und Empfangen) wird ein weiterer Ultraschall-Wandler als Überwachungswandler ange­ bracht, der vorzugsweise etwas außerhalb der Hauptstrahlrichtung des Arbeitswandlers angeordnet ist. Strahlt der Arbeitswandler einen Schall-Impuls ab, empfängt der Überwa­ chungswandler einen Teil dieses Impulses. Die Auswerteelektronik prüft, ob dieser direkt eingestrahlte Impuls eine ausreichende Größe hat. Im Anschluß daran steuert die Auswer­ teelektronik den Verstärker auf und liest die Echosignale ein. Ist der Verstärker voll aufge­ steuert, sendet der Überwachungswandler einen kleinen Schall-Impuls ab. Die Auswertee­ lektronik prüft, ob dieser Impuls vom Arbeitswandler empfangen und vom Verstärker ausreichend verstärkt wurde.

Die Erfahrung hat gezeigt, daß das einfache Einbringen eines Überwachungswandlers in das Schallfeld des Arbeitswandlers sehr kritisch ist. Reicht der Überwachungswandler zu weit in das Schallfeld des Arbeitswandlers, wird das Schallfeld unzulässig stark gestört. Um diese Störung möglichst klein zu halten, muß der Überwachungswandler im äußeren Bereich des Schallfeldes angebracht werden. Da die Größe des Schallfeldes von Ultra­ schall-Wandler zu Ultraschall-Wandler streut und auch von der Umgebungstemperatur abhängig ist, treten häufig Instabilitäten auf.

Auf Ultraschall-Wandlern mit sehr schmalen Öffnungswinkeln ist das Überwachungsprinzip nicht anwendbar, da der Überwachungswandler das Schallfeld immer unzulässig stören wurde.

So beschreibt die DE 38 07 383 A1 eine Apparatur zur Entfernungsmessung nach dem Ultraschall-Impuls-Echo-Laufzeitverfahren mit einem Sensor, der auch einen Arbeitswandler zum Abstrahlen von Schallimpulsen und Empfang der Echos aufweist. Zwecks Überwachung ihrer Funktion kann ein Referenz-Wandler im Nahbereich des Arbeitswandlers angeordnet sein. Es zeigt sich zudem als Nachteil, daß das einfache Einbringen des Referenz-Wandlers in das Schallfeld des Arbeitswandlers stören kann, wenn der Referenz-Wandler zu weit in das Schallfeld des Kombi-Wandlers hineinreicht. Eine Anordnung des Referenz-Wandlers im äußeren Bereich des Schallfeldes führt gleichfalls nicht zu einer Verbesserung, da beispielsweise die Größe des Schallfeldes auch von der Umgebungstemperatur abhängig ist.

Die GB 2 167 557 A offenbart eine Apparatur zur Entfernungsmessung mittels Ultraschall, welche eine Reflektorfläche als Schall-Umlenkfläche und von der Reflektorfläche beabstandete Wandler aufweist. Die Wandler können als Arbeitswandler auf die Reflektorfläche Impulse abstrahlen bzw. die von der Reflektorfläche reflektierten Impulse empfangen. Auch dieser Stand der Technik hilft nicht weiter, dem Fachmann Anregungen zu geben, eine Überwachung der Funktion der Arbeitswandler unter Verwendung eines weiteren Wandlers zu ermöglichen.

Die DE 35 32 372 A1 ist auf ein Echolot gerichtet, bei dem Sendewandler unter einem definierten Winkel auf eine Schall-Umlenkfläche strahlt, wodurch der Schall umgelenkt wird. Auf der Rückseite der Schall-Umlenkfläche ist der Empfangswandler hinter einer Durchgangsöffnung angeordnet. Diese spezielle Anordnung von Sendewandler und Empfangswandler hinter einem Reflektor wurde gewählt, um nichtlineare Eigenschaften des Wassers zur Vermessung von Sedimentschichten auf dem Meeresboden auszunutzen. Diese Lehre liegt aber aufgrund der völlig anderen Aufgabenstellung und des anderen Anwendungsfalles fern von der Möglichkeit, zur Lösung der Aufgabe beizutragen.

Hinzukommend offenbart die EP 0 312 845 A1 eine Überwachungseinrichtung für Rückwärtsfahrtsicherungen bei Fahrzeugen, bei welcher zur Funktionskontrolle kleine Reflektoren vorgesehen sind, die vor oder im Wandlergehäuse angeordnet sind. Diese liegen jedoch jeweils im Schallfeld der Arbeitswandler. Ebenso geht dieser Stand der Technik über die in der DE 38 07 383 A1 offenbarten Lehre nicht hinaus.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die o. g. Nachteile des Stands der Technik zu beseitigen. Weiterhin liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Ultraschallsensor dieser Art so weiterzubilden, daß der Überwachungswandler immer ausreichend im Schallfeld des Arbeitswandlers liegt, ohne das Schallfeld negativ zu beeinflussen, und daß der Ultraschallsensor mit Ultraschall-Wandlern beliebiger Öffnungswinkeln aufgebaut werden kann.

Die Aufgabe wird gelöst durch die im Hauptanspruch und im nebengeordneten Anspruch 4 angeführten Merkmale. Die Unteransprüche betreffen bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung.

Der Erfindung liegt dabei der Gedanke zugrunde, das Schallfeld über eine Umlenkfläche definierter Form umzulenken und den Überwachungswandler so in die Schall-Umlenkfläche einzubringen, daß das umgelenkte Schallfeld des Arbeitswandlers hierdurch nicht gestört wird und der Überwachungswandler dennoch zentral im Schallfeld des Arbeitswandlers liegen kann.

Die Erfindung betrifft einen Ultraschallsensor nach dem Impuls-Echo-Verfahren für die berührungslose Entfernungsmessung in Luft und Gasen mit Funktionsüberwachung mit wenigstens einem Ultraschall-Arbeitswandler zum Senden des Schall-Arbeitsimpulses und zum Empfangen der Echos und mit wenigstens einem Ultraschall-Überwachungswandler zur Funktionsüberwachung des Arbeitswandlers, welcher dadurch gekennzeichnet ist, daß der Arbeitswandler unter einem definierten Winkel auf eine Schall-Umlenkfläche definierter Form und Größe strahlt, wodurch der Schall umgelenkt wird, und daß in der Schall-Umlenkfläche der Überwachungswandler derart eingebracht ist, daß die aktive Wandleroberfläche mit der Schall-Umlenkfläche einen nahezu planen Übergang bildet.

In einer besonderen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Ultraschallsensors ist der Arbeitswandler in dem erfindungsgemäßen Ultraschallsensor derart ausgerichtet, daß er auf die ebene Schall-Umlenkfläche strahlt. Weiterhin ist es möglich, daß der Überwachungswandler auf dem Zentralstrahl des Arbeitswandlers angeordnet ist.

Ein weiterer Gegenstand der Erfindung betrifft einen Ultraschallsensor nach dem Impuls- Echo-Verfahren für die berührungslose Entfernungsmessung in Luft und Gasen mit Funktionsüberwachung mit wenigstens einem Ultraschall-Arbeitswandler zum Senden des Schall-Arbeitsimpulses und zum Empfangen der Echos und mit wenigstens einem Ultraschall- Überwachungswandler zur Funktionsüberwachung des Arbeitswandlers, welcher dadurch gekennzeichnet ist, daß der Arbeitswandler unter einem definierten Winkel auf eine Schall- Umlenkfläche definierter Form und Größe strahlt, wodurch der Schall umgelenkt wird, und daß sich in der Schallumlenkfläche ein kleines Loch befindet und der Überwachungswandler hinter der Schall-Umlenkfläche vor dem Loch angeordnet ist.

In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Ultraschallsensors sind der Arbeitswandler und der Überwachungswandler gegenüberliegend angeordnet. Zudem kann vorteilhafterweise der Arbeitswandler im Brennpunkt der Parabel sich befinden. In einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Ultraschallsensors ist die Schall-Umlenkfläche parabelförmig ausgebildet.

Die Arbeitswandler der erfindungsgemäßen Ultraschallsensoren können als Kombiwandler ausgebildet sein. Auch ist es besonders bevorzugt, wenn die Überwachungswandler der erfindungsgemäßen Ultraschallsensoren Kombiwandler sind.

Die Erfindung und deren vorteilhafte Ausgestaltungen werden nachstehend anhand der Zeichnungen näher erläutert.

Fig. 1 zeigt in einer Schnittzeichnung den prinzipiellen Aufbau des Ultraschallsensors gemäß Anspruch 1.

Fig. 2 zeigt in einer Schnittzeichnung den prinzipiellen Aufbau des Ultraschallsensors gemäß Anspruch 4.

Fig. 3 zeigt in einer Schnittzeichnung den prinzipiellen Aufbau des Ultraschallsensors gemäß Anspruch 6.

In Fig. 1 ist der Arbeitswandler (1) zu sehen, der auf eine ebene Fläche (2) strahlt. Der Schall wird an der Fläche umgelenkt und tritt seitlich aus dem Ultraschallsensor heraus (4). Echosignale durchlaufen den umgekehrten Weg.

In die Fläche (2) ist der Überwachungswandler (3) eingebracht. Der Winkel der Schall- Umlenkfläche beträgt vorzugsweise 45°. Die Schall-Umlenkfläche ist in ihrer Größe so zu wählen, daß nahezu das gesamte Schallfeld umgelenkt wird. Der Abstand zwischen Arbeitswandler und Schall-Umlenkfläche ist so zu wählen, daß das umgelenkte Schallfeld ungehindert aus dem Ultraschallsensor austreten kann. Die optimale Position des Überwa­ chungswandlers in der Schall-Umlenkfläche ist empirisch zu ermitteln. Erfahrungsgemäß liegt diese Position auf dem Zentralstrahl des Arbeitswandlers.

Strahlt der Arbeitswandler (1) seinen Ultraschallimpuls ab, wird dieser Impuls vom Über­ wachungswandler (3) empfangen. Die nachgeschaltete Elektronik prüft den eingestrahlten Impuls auf seine Größe. Nachdem alle Echosignale für die gewünschte Entfernungsmes­ sung eingelesen sind, strahlt der Überwachungswandler (3) einen Ultraschallimpuls defi­ nierter Größe ab. Dieser Ultraschallimpuls wird vom Arbeitswandler empfangen. Die nachgeschaltete Elektronik prüft, ob der empfangende Impuls eine ausreichende Größe hat. War die Prüfung der beiden empfangenen Impulse positiv, gilt die durchgeführte Messung als fehlerfrei und der ermittelte Entfernungswert kann weiterverarbeitet werden.

Bei einem Defekt an einem der Ultraschall-Wandler bzw. an der Sende-/ Empfangselek­ tronik oder wenn einer der Wandler durch einen Gegenstand abgedeckt wird, haben die empfangenden Schallimpulse keine ausreichende Größe; die Auswerteelektronik gibt eine entsprechende Fehlermeldung aus.

Durch die schräge Lage des Überwachungswandlers muß dieser einen entsprechend gro­ ßen Öffnungswinkel aufweisen. Ist ein Überwachungswandler mit großem Öffnungswin­ kel nicht verfügbar, kann der Ultraschallsensor gemäß Fig. 2 realisiert werden. Arbeits- (1) und Überwachungswandler (3) liegen sich gegenüber und sind durch die Schall-Umlenk­ fläche (2) voneinander getrennt. Durch eine kleine Öffnung in der Schall-Umlenkfläche (2) kann ein Teil der abgestrahlten Schallimpulse den jeweils gegenüberliegenden Wandler erreichen. Die Öffnung muß nur wenige Millimeter groß sein.

Werden Ultraschall-Wandler mit großen Öffnungswinkeln eingesetzt, besteht oftmals der Wunsch, den Schall in der horizontalen oder in der vertikalen Ebene zu bündeln. In Fig. 3 ist die Schall-Umlenkfläche (2) parabelförmig ausgestaltet. Der Arbeitswandler (1) liegt exakt im Brennpunkt der Parabel. Die Parabel bewirkt eine Bündelung des Schallfeldes in einer Ebene.

Selbstverständlich ist es in allen drei Ausführungsformen unerheblich, ob für die Arbeits­ wandler bzw. für die Überwachungswandler Kombiwandler oder jeweils zwei getrennte Wandler als Sender und Empfänger eingesetzt werden.

Der Einsatz des erfindungsgemäßen Ultraschallsensors beschränkt sich natürlich nicht nur auf Fahrzeuge. Auch können damit stationäre Maschinen abgesichert und Ultraschallvor­ hänge als Ersatz für Lichtvorhänge aufgebaut werden.

Abschließend sollen die Vorteile der Erfindung noch einmal zusammengefaßt werden: Ultraschallsensoren, die in sicherheitstechnischen Einrichtungen eingesetzt werden, müs­ sen die ordentliche Funktion der eingesetzten Ultraschallwandler laufend überprüfen.

Dies kann dadurch realisiert werden, daß der Arbeitswandler auf eine schräge Fläche strahlt, wobei der Schall umgelenkt wird. In dieser Schall-Umlenkfläche wird ein Überwachungswandler derart eingelassen, daß die aktive Wandleroberfläche mit der Umlenkfläche einen nahezu planen Übergang bildet. Strahlt der Arbeitswandler seinen Schall-Impuls ab, muß der Überwachungswandler diesen Impuls empfangen. Im Anschluß an eine Messung sendet der Überwachungswandler einen Schall-Impuls; dieser Impuls muß vom Arbeitswandler empfangen werden.

Claims (9)

1. Ultraschallsensor nach dem Impuls-Echo-Verfahren für die berührungslose Entfernungs­ messung in Luft und Gasen mit Funktionsüberwachung mit wenigstens einem Ultra­ schall-Arbeitswandler zum Senden des Schall-Arbeitsimpulses und zum Empfangen der Echos und mit wenigstens einem Ultraschall-Überwachungswandler zur Funktions­ überwachung des Arbeitswandlers, dadurch gekennzeichnet, daß der Arbeitswandler unter einem definierten Winkel auf eine Schall-Umlenkfläche definierter Form und Grö­ ße strahlt, wodurch der Schall umgelenkt wird, und daß in der Schall-Umlenkfläche der Überwachungswandler derart eingebracht ist, daß die aktive Wandleroberfläche mit der Schall-Umlenkfläche einen nahezu planen Übergang bildet.

2. Ultraschallsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Überwachungs­ wandlers auf dem Zentralstrahl des Arbeitswandler angeordnet ist.

3. Ultraschallsensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Arbeits­ wandler auf eine ebene Schall-Umlenkfläche strahlt.

4. Ultraschallsensor nach dem Impuls-Echo-Verfahren für die berührungslose Entfernungs­ messung in Luft und Gasen mit Funktionsüberwachung mit wenigstens einem Ultra­ schall-Arbeitswandler zum Senden des Schall-Arbeitsimpulses und zum Empfangen der Echos und mit wenigstens einen Ultraschall-Überwachungswandler zur Funktionsüber­ wachung des Arbeitswandlers, dadurch gekennzeichnet, daß der Arbeitswandler un­ ter einem definierten Winkel auf eine Schall-Umlenkfläche definierter Form und Größe strahlt, wodurch der Schall umgelenkt wird, und daß sich in der Schall-Umlenkfläche ein kleines Loch befindet und der Überwachungswandler hinter der Schall- Umlenkfläche vor dem Loch angeordnet ist.

5. Ultraschallsensor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Arbeitswandler und der Überwachungswandler gegenüberliegend angeordnet sind.

6. Ultraschallsensor nach einem der Ansprüche 1, 2, 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Schall-Umlenkfläche parabelförmig ausgearbeitet ist.

7. Ultraschallsensor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Arbeitswandler im Brennpunkt der Parabel angeordnet ist.

8. Ultraschallsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Arbeitswandler ein Kombiwandler ist.

9. Ultraschallsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Überwachungswandler ein Kombiwandler ist.